人行道和车道指示灯PLC控制系统设计

摘要：本设计主要介绍三菱FX系列可编程控制器，对人行道指示灯的控制，阐述控制方案。实现人行道交通灯的方法这有多种方法，可以采用早期的模拟数字电路技术，或是模拟电路与数字电路的混合电路，随着科技发展，现在也采用可编程控制器来控制。本设计主要采FX N2-16MR-001型PLC作为核心控制器对人行道交通灯的控制设计.采用顺序功能图设计法,设计出顺序功能图,梯形图指令,指令表程序,并进行程序调试.

第1章可编程控制器概述

1 .1 PLC 的定义特点.

1.1.1 PLC 的定义

可编程控制器是在传统顺序控制器的基础上引入微电子技术.计算机技术,自动控制技术和通信技术而形成的新型工业控制装置.早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制,因此称它为可编程逻辑控制器(Cprogrammable Logiccontroller .PLC) 随着技术的发展国外一些厂家采用微处理器(Microprocessor)作为中央处理单元,使其功能大大增强,现已经广泛应用于工业控制的各个领域.1980年美国电器制造商协会( NEMA)将它命名为可编程控制器由于个人计算机简称PC为避免混淆可编程控制器仍简称PLC.

国际电工委员会(IEC)曾于1987年2月对可编程控制器的定义是:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计.它采用了可编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和计数操作等面向用户的指令,并通过数字式或模拟式的输入/输出,控制各种类型的机械或生产过程”

PLC的特点

1可靠性高，抗干扰能力强

PLC是为工业控制而设计的，可靠性高，抗干扰能力强是它重要的特点之一。PLC的平均无故障间隔时间可达几十万小时。

PLC在硬件和软件上均采用了提高可靠性的措施。

2编程简单、使用方便。

PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言。近年来又发展了面向对象的顺序功能图语言，使编程更简单方便。

3通用性好，组合灵活。

PLC是通过软件来实现控制目的，同一台PLC 可用于不同的控制对象，只需改变软件就可以实现不同的控制要求，充分体现了灵活性和通用性。

4、功能完善，适应面广。

PLC不仅可以完成逻辑运算、计数、定时和算术运算功能。配合特殊功能模块还可实现定位控制、过程控制和数字控制等功能。

5、体积小，功耗低。

PLC是采用半导体集成电路制成的，因此具有体积小，重量轻，功耗低的特点。

6、设计施工周期短。

1．2 PLC的分类

1．2．1按结构形式分类

根据PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类。

1、整体PLC是将电源、CPU、存储器及I/O等各个功能集成在一个机壳内，其特点是结

构紧凑，体积小、价格低。小型PLC一般多采用这种结构。

2、模块式PLC是将电源模块、CPU模块、I/O接口模块作为单独的模块安装在同一底版

或框架上的PLC。其特点是配置灵活、装配维护方便。大、中型PLC多采用这种结构。1．2．2按I/O点数和存储容量可将PLC分为大型、中型、小型三类。

1、I/O点数在256点以下存储容量为2K步的为小型PLC。

2、I/O点数在256~2048点之间，存储容量为2K~8K步之间的为中型PLC。

3、I/O点书在2048以上。存储容量为8K步以上的为大型PLC。

PLC的应用领域

随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断降低，而功能却不断增强，目前，在先进工业国家PLC已成为工业控制中的标准设备，应用领域已覆盖整个工业企业，概括起来主要应用在以下几个方面：

1 逻辑控制2过程控制

3运动控制4通信联网

5数据处理

第2章PLC指令系统

FX系列PLC的基本逻辑指令

2.1.1 LD、LDI、OUT指令

LD：取指令，是从左母线取常开触点指令，表示常开触点与母线相连。操作对象有: X、Y、M、S、T、C

LDI：取反指令，是从左母线上去常闭触点指令，表示常闭触点与母线相连。操作对象有：X、Y、M、S、T、C

OUT：输出指令，表示对输出继电器Y、辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、计数器C的线圈进行驱动的指令，但不能用于输入继电器。

2.1.2 触电的串并联指令

1 AND、ANI指令

AND：与指令，用于单个常开触点的串联，操作对象有：X、Y、M、S、T、C

ANI：与非指令，用于单个常闭触点的串联，操作对象有：X、Y、M、S、T、C

AND和ANI串联的触点数量无限制，并且可以多次使用。

2 OR、ORI指令

OR：或指令，用于单个常开触点的并联，操作对象有：X、Y、M、S、T、C

ORI：或非指令，用于单个常开触点的并联，操作对象有：X、Y、M、S、T、C

OR、ORI指令紧接在LD、LDI指令后使用，亦即对LD、LDI指令规定的触点再并联一个触点，并联次数无限制。

2.1.3 电路块的串并联指令

1．串联电路的并联指令

ORB：多触点电路块的并联连接指令。

ORB指令是不带操作元件的指令。

2. 并联电路的串联指令

ANB：多触点电路块的串联连接指令。

ANB指令是不带操作元件的指令。

2.1.4 置位与复位指令

1. SET：置位指令，使操作保持ON的指令。

2. RST：复位指令，使操作保持OFF的指令。

2.1.5 取反指令

INV：取反指令，表示将INV指令电路之前的运算结果取反。在梯形图上用一条短斜线表示，它不带操作元件，不能直接与母线连接也不能像OR、ORI、ORP、ORF一样单独使用。

2.1.6 空操作指令

NOP：空操作指令，使该步进行空操作。

2.1.7程序结束指令

END：为程序结束指令，将输入输出处理到零。

编程元件

．1输入继电器和输出继电器

1. 输入继电器（X）

PLC 的输入端子是从外部接收信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器（X）是光电隔离的电子继电器，线圈的吸合与释放只取决于PLC外部触点的状态。

2. 输出继电器（Y）

PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口，输出继电器的线圈由程序控制，且外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用。输出继电器常开/常闭触电的使用次数不限。

2.2.2 辅助继电器（M）

PLC内部有很多辅助继电器，启动作原理与输出继电器一样，只能由程序驱动。辅助继电器也称中间继电器，主要包含以下三类：

1．通用辅助继电器

2．锁存(断电保护)辅助继电器

3. 特殊辅助继电器

2.2.3 状态继电器（S）

状态继电器是用于编制顺序控制程序的一种编程元件（状态标志），常与STL指令（步进梯形指令）配合使用，主要用于编程过程中顺控状态的描述和初始化，FX2n系列PLC的状态继电器通常分为以下几类：

初始化使用：S 0~S9（10点）

返回原点状态器：S10~S19（10点）

通用型：S20~S499（480点）

断电保持型：S500~S899（400点）

报警型：S900~S999（100点）

2.2.4 定时器（T）与计数器(C)

定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器。定时器的元件号及其设定值如下：

1. 100ms定时器T0~T199，共200点，计时范围:~；

2. 10ms定时器T200~T245，共46点，计时范围:~;

3. 1ms积算定时器T246~T249，共4点，计时范围：~;

4. 100ms积算定时器T250~T255，共6点，计时范围：~.

计数器是在执行扫描操作时对内部元件X、Y、M、S、T、C的触点通断次数进行积算式定时方式计数。当计数次数达到计数器的设定值时，计数器触点动作，是控制系统完成相应的控制作用。计数器可按其计数方式、计数范围以及计数开关量的频率，计数器的元件号及设定值等分为如下5类：

1.16位通用计数器

2.16位锁存计数器

3.32位通用加、减双向计数器

4.32位加、减双向高速计数器

2.2.5 数据寄存器（D）

数据寄存器主要用来存储参数及工作数据，包括模拟量控制、位置控制和数据输入、输出等工作中所用到的数据。数据寄存器分为4种类型：

1通用数据寄存器

2锁存数据寄存器

3文件寄存器

4特殊数据寄存器

第3章PLC控制系统设计

控制要求：X1或X0人行道和车道指示灯按下图所示的示意图点亮。

分析按钮式人行横道指示灯的控制要求

按下人行道按钮X0或X1，车道绿灯Y3亮人行道Y5亮，30S以后车道黄灯Y2亮，10S 以后车道红灯Y1亮，5S以后人行道绿灯Y6亮，15S以后人行道绿灯Y6开始闪烁，每隔1S

闪一次，闪烁五次后，人行道红灯Y5亮，5S以后返回到初始状态。

分析并进行PLC选型

PLC选型的基本原则是：所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。一般从系统功能、PLC的物理结构、指令和编程方式、PLC的存储容量和响应时间、通信联网功能等方面进行综合考虑。

3.2.1 PLC结构的选型

在相同功能和相同I、O点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。模块式具有功能扩展灵活、维修方便、容易判断故障等优点。

3.2.2 PLC输出方式的选择

不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。继电器输出型的PLC工作电压范围广，触电的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是动作速度较慢，触点寿命有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器输出型的PLC。晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。它们的可靠性高，反应速度快,不受动作次数的限制，但是过载能力稍差。

3.2.3 PLC电源的选择

电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的可靠型。

3.2.4 存储容量的选择

PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估计算。一般情况下可按照如下经验公式计算：

存储容量=K×总输入点数÷总输出点数

在选择内存容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的25%，不应单纯的追求大容量，在大多数情况下，满足I、O点数的PLC，内存容量也能满足。

综上所述，本设计人行横道指示灯的控制选择FX2N-16MR-001型PLC。控制电路的I、O端子的分配

根据I、O分配画PLC外接线图

程序设计

．1根据控制要求进行顺序功能图设计

1步的分配如下所示：

初始状态为ON：S0

车道绿灯亮：S20

车道黄灯亮：S21

车道红灯亮：S22

人行道红灯亮：S30

人行道绿灯亮：S31

计时：S32

人行道闪绿：S33

人行道红灯亮：S34

以上工作过程的分解可以看出，该控制系统一共9步。

2对应于每一步的动作

S0：Y3、Y5为ON，车道绿灯Y3亮与人行道红灯Y5亮。

S20：驱动Y3为ON，车道绿灯Y3亮，同时启动定时器T0定时30s。

S21：驱动Y2为ON，车道黄灯Y2亮，同时启动定时器T1定时10s。

S22：驱动Y1为ON，车道红灯Y1亮，同时启动定时器T2定时5s。

S30：驱动Y5为ON，人行道红灯Y5亮。

S31：驱动Y6为ON，人行道绿灯Y6亮，同时启动定时器T3定时15s。

S32：启动定时器T4定时。

S33：启动定时器T5定时，同时计数器开始计数，设定5次。

S34：驱动Y5为ON，人行道红灯Y5亮,同时启动定时器T6定时5s，同时计数器复位。

3 找出每个步的转移条件

由工作过程可知，每一步的转移条件为：

S0：PLC上电之初由初始化脉冲M8002对其置位为ON，当PLC由STOP转入RUN，初始状态为ON

S20：按钮X0或X1，即X0+X1.

S21：T0的常开触点。

S22：T1的常开触点。

S30：按钮X0或X1，即X0+X1

S31：T2的常开触点。

S32：T3的常开触点。

S33：T4的常开触点。

S34: C0·T5

4程序运行过程的分析

人行道交通灯的顺序功能图既有并行分支，又有选择分支。当PLC由STOP转入RUN时，初始状态S0为ON。这时车道绿灯Y3亮，人行道红灯Y5亮。按人行道按钮X0或X1时，进入到并行序列，S21和S30同时为ON，此时车道绿灯Y3亮，人行道红灯Y5亮，红绿灯状态不变化。30s后车道变为黄灯Y2亮，再过10s，车道红灯Y1亮，同时启动T2开始定时，5s 后T2触电接通S31，人行道绿灯Y6亮，15s后人行道绿灯Y6开始闪烁，S32、S33每隔1s 循环接通一次，一共接通5次。S32、S33循环接通的次数由计数器C0设定，若计数器没有计够5次，即T5·C0=1,则跳到S32继续循环执行；若计数器已经计够5次了，即T5·C0=1，

则状态向S34转移，人行道红灯Y5亮，同时给计数器C0复位，5s后返回到初始状态。在状态转移过程中，即使再按动人行横道按钮X0或X1也无效。

5根据以上3个步骤，得到的按钮式人行横道指示灯控制的顺序功能图。

3.5.2 根据顺序功能图画梯形图、写指令表1 梯形图

2指令表

程序调试

1. 模拟调试

设计好用户程序后，一般先做模拟调试。用PLC的硬件来调试程序时，用接在输入端的小开关或按钮来模拟PLC实际的输入信号，观察输出信号是否满足设计的要求。

2. 系统调试

对于有模拟量输入的系统，可以给模拟量输入模块提供标准的输入信号，通过调节模块上的电位器或程序中的系数，使模拟量输入信号和转换后的数字量之间的关系满足要求。

完成上述的调试后，将PLC置于RUN状态，运行用户程序，并检查控制系统是否满足要求。在调试过程中暴露出的问题及时解决，直到完全符合要求为止。

第4章总结

随着微处理器，计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制系统已扩展到了几乎所有的工业领域。PLC在我国已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的电气控制装置中。

本设计主要用三菱FX系列PLC进行人行横道指示灯的控制，通过设计让我更深一步的了解顺序功能图、梯形图、指令表的应用以及有关PLC控制的更多知识。

同时使我懂得任何复杂的程序，往往都是由一些典型单元梯形图组合而成的，因此当各种单元梯形图达到一定量时，程序的设计将会变得很容易。设计PLC控制系统需遵循一定的设计原则，对控制对象的特点和要求需深入的了解，在满足各种运行条件下进行合理选择PLC 的机型。

参考文献

1. 郭燕萍.电气控制与PLC技术. 北京: 北京师范大学出版社，2007 2．廖常初. FX系列PLC编程及应用. 北京: 机械工业出版社，2006

3. 谢伟红.可编程控制器原理及应用. 北京: 中国电力出版社，2006 4．宋伯生.可编程控制器配置编程联网. 北京：中国气象出版社，1995

致谢

这次课程设计能够顺利完成，首先要感谢我们指导老师申红军老师。在这一学期他不辞辛苦为我们传授知识，这才有了我们今天的设计成果。同时也感谢在设计过程中帮助过我的同学、朋友，在这里向这些老师、同学表示衷心的感谢。

限于我们的设计水平还处于初学者的水平，设计中难免有错误以及不妥之处，恳请老师给于指出及修改。

谢谢！